DE202006018288U1

DE202006018288U1 - Turbine generator for generating electrical energy and industrial plant

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Publication number: DE202006018288U1
Application number: DE202006018288U
Authority: DE
Original assignee: Deprag Schulz GmbH u Co
Current assignee: Deprag Schulz GmbH u Co
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2016-12-02
Also published as: EP1930567A3; EP1930567A2

Abstract

Turbinengenerator (2) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem in einer industriellen Anlage anfallenden Restgas, bei dem in einem gemeinsamen Gehäuse (4) ein für eine Leistung < 20 kW, insbesondere für eine Leistung im Bereich von 5 bis 20 kW, ausgelegter Generator (8) sowie ein Gasturbinenrad (14) angeordnet sind, wobei das Gasturbinenrad (14) gemeinsam mit dem Generator (8) auf einer Generatorwelle (10) angeordnet ist.turbine generator (2) for generating electrical energy from an industrial plant accumulating residual gas, in which in a common housing (4) one for a performance <20 kW, in particular for a power in the range of 5 to 20 kW, designed generator (8) and a gas turbine wheel (14) are arranged, wherein the gas turbine wheel (14) together with the generator (8) on a generator shaft (10) is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbinengenerator zur Erzeugung von elektrischer Energie sowie eine industrielle Anlage mit einem derartigen Turbinengenerator.The The invention relates to a turbine generator for generating electrical Energy and an industrial plant with such a turbine generator.

In industriellen Anlagen, insbesondere Produktionsanlagen, werden regelmäßig Gase als Prozessgase oder als Betriebsmittel verwendet. Die verbrauchten Gase oder auch Abgase fallen am Ende des industriellen Prozesses als Restgase an, die für keine weitere Benutzung herangezogen werden. Unter Restgasen werden daher derartige verbrauchte Gase verstanden, die in heutigen industriellen Anlagen ungenutzt beispielsweise an die Umgebung abgegeben werden. Derartige Restgase sind beispielsweise nicht mehr benötigte Druckluft, nachdem diese beispielsweise zur Ansteuerung von Maschinen, Ventilen etc. eingesetzt wurde. Auch andere Prozessgase, die nach ihrer Verwendung in der industriellen Anlage nicht mehr benötigt werden, werden als Restgase bezeichnet.In industrial plants, especially production plants, are regularly gases used as process gases or as equipment. The consumed Gases or even exhaust gases fall at the end of the industrial process as residual gases, which for no further use be used. Under residual gases are therefore Such used gases understood in today's industrial Unused plants are given off, for example, to the environment. Such residual gases are, for example, no longer required compressed air, after these, for example, to control machines, valves etc. was used. Also other process gases after their use are no longer needed in the industrial plant, are used as residual gases designated.

Typischerweise weisen diese Restgase einen Restdruck im Bereich bis maximal 10⁶ Pa (10 bar) auf. Ergänzend hierzu können die Restgase auch hohe Temperaturen aufweisen. Mithin enthalten diese üblicherweise an die Umgebung abgegebenen Restgase noch Energie, die ungenutzt bleibt. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass mit den heute verfügbaren Mitteln der Aufwand zur Ausnutzung der verbleibenden Restenergie der Restgase sehr hoch ist. Denn im Vergleich zu den üblicherweise zur Energiegewinnung eingesetzten Fluiden, wie überhitzter Wasserdampf unter sehr hohem Druck, weisen die Restgase eine viel kleinere Energiedichte auf.Typically, these residual gases have a residual pressure in the range up to a maximum of 10 ⁶ Pa (10 bar). In addition to this, the residual gases may also have high temperatures. Thus, these residual gases normally emitted to the environment still contain energy that remains unused. The reason for this is to be seen in the fact that with the resources available today, the effort to utilize the remaining residual energy of the residual gases is very high. Because compared to the fluids usually used for energy production, such as superheated steam under very high pressure, the residual gases have a much lower energy density.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und betriebswirtschaftlich sinnvolle Verwertung von im Restgas enthaltenen Restenergien zu ermöglichen.Of the Invention is based on the object, a cost-effective and Economically meaningful utilization of contained in the residual gas To allow residual energies.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Turbinengenerator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Turbinengenerator weist einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie mit einer Leistung < 20kW, und insbesondere mit einer Leistung im Bereich zwischen 5 und 20kW, auf. Daneben weist der Turbinengenerator ein nach Art einer Entspannungsturbine ausgebildetes Gasturbinenrad auf, welches über ein zugeführtes Restgas antreibbar ist. Der Generator sowie das Gasturbinenrad, welches auch als Schaufelrad bezeichnet wird, sind gemeinsam in einem Gehäuse und zudem auch gemeinsam auf einer Generatorwelle angeordnet. Die Generatorwelle ist hierbei einstückig ausgebildet, so dass eine drehfeste Verbindung zwischen dem Gasturbinenrad und dem Generator geschaffen ist.The Task is according to the invention solved by a turbine generator with the features of claim 1. The turbine generator has a generator for generating electrical Energy with a power <20kW, and in particular with a power ranging between 5 and 20kW, on. In addition, the turbine generator has a kind of expansion turbine trained gas turbine wheel, which can be driven via a supplied residual gas is. The generator and the gas turbine wheel, which also serves as a paddle wheel are common in a housing and also together arranged on a generator shaft. The generator shaft is here one piece designed so that a rotationally fixed connection between the gas turbine wheel and the generator is created.

Insgesamt ist hierdurch, nämlich speziell durch die Leistungsbegrenzung auf < 20kW, der Integration in einem gemeinsamen Gehäuse sowie der Anordnung des Gasturbinenrads unmittelbar auf der Generatorwelle, eine Platz sparende, kompakte und insbesondere auch mobile Einheit geschaffen, die kostengünstig herstellbar ist und flexibel an unterschiedlichsten Orten einsetzbar ist. Insbesondere durch die unmittelbare Anordnung des Gasturbinenrads auf der Generatorwelle ist eine kompakte Ausgestaltung ermöglicht. Es ist daher keine eigene Welle für das Gasturbinenrad erforderlich und es sind keine zwei eigenständige Komponenten (Generator und Turbine) vorgesehen. Vielmehr ist der Turbinenteil unmittelbar mit dem Generatorteil verbunden, indem das Gasturbinenrad drehfest und ohne Kupplung oder dergleichen auf der Generatorwelle befestigt ist.All in all is this, namely specifically by the power limitation to <20kW, the integration in a common casing and the arrangement of the gas turbine wheel directly on the generator shaft, a space-saving, compact and especially mobile unit created that cost-effective can be produced and used flexibly in different places is. In particular, by the immediate arrangement of the gas turbine wheel on the generator shaft a compact design is possible. Therefore, no separate shaft is required for the gas turbine wheel and they are not two separate ones Components (generator and turbine) provided. Rather, that is Turbine part directly connected to the generator part by the gas turbine wheel rotatably and without a clutch or the like the generator shaft is attached.

Um eine möglichst kompakte Ausgestaltung zu erreichen ist weiterhin in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass das Gasturbinenrad stirnendseitig auf der Generatorwelle befestigt ist, ohne dass diese stirnendseitig auf der Seite des Gasturbinenrads gelagert ist. Das Gasturbinenrad ist daher auf einem freien Stirnende der Generatorwelle befestigt. Weiterhin ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass die Generatorwelle insgesamt durch nur zwei Lager gelagert ist, wobei diese beidseitig unmittelbar am Generator angeordnet sind. Das zweite Lager ist daher direkt zwischen dem Generator und dem Gasturbinenrad angeordnet.Around one possible To achieve compact design is further in a preferred Design provided that the gas turbine wheel end face is mounted on the generator shaft, without these end face end is mounted on the side of the gas turbine wheel. The gas turbine wheel is therefore attached to a free end of the generator shaft. Furthermore, it is expediently provided that the generator shaft is stored in total by only two bearings, which are both sides are arranged directly on the generator. The second camp is therefore placed directly between the generator and the gas turbine wheel.

Vorteilhafterweise sind dabei die beiden Lager innerhalb des Gehäuses angeordnet, so dass sich insgesamt eine abgeschlossene Baueinheit ergibt, bei der sämtliche Komponenten innerhalb des Gehäuses angeordnet sind.advantageously, In this case, the two bearings are arranged within the housing, so that Total results in a completed unit in which all Components inside the case are arranged.

Um eine effiziente Energieausnutzung für die Restgase zu ermöglichen, ist der Turbinengenerator gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung für eine Betriebsdrehzahl von 30.000 bis 85.000 U/min ausgelegt. Im Betrieb wird daher der Turbinengenerator mit einer Drehzahl in diesem Bereich betrieben.Around to enable an efficient use of energy for the residual gases, is the turbine generator according to a preferred embodiment for an operating speed of 30,000 to 85,000 rpm designed. in the Operation is therefore the turbine generator with a speed in this Operated area.

Zweckdienlicherweise weist das Gasturbinenrad einen Durchmesser < 100 mm, insbesondere einen Durchmesser im Bereich zwischen 30 und 70 mm, auf. Ein derartig kleines Gasturbinenrad eignet sich vortrefflich zum einen um eine sehr kompakte Bauform zu erreichen und zum anderen um das Eigengewicht des Gasturbinenrads möglichst gering zu halten. Die bei den hohen Drehzahlen auftretenden Zentrifugalkräfte bleiben daher gering. Auch werden die vergleichsweise geringen im Restgas enthaltenen Restenergien effizient in die Bewegung des Gasturbinenrads umgesetzt.Conveniently, the gas turbine wheel has a diameter <100 mm, in particular a diameter in the range between 30 and 70 mm, on. Such a small gas turbine wheel is excellently suitable for a very compact design to achieve and on the other to the weight of the gas turbine wheel preferably to keep low. The centrifugal forces occurring at high speeds remain therefore low. Also, the comparatively small in the residual gas contained residual energy efficiently in the movement of the gas turbine wheel implemented.

Vorzugsweise ist hierbei der Turbinengenerator insgesamt für einen Restgasdruck des Restgases von maximal 10 bar vorgesehen. Insbesondere werden im Betrieb Restgase mit einem Restgasdruck von beispielsweise lediglich bis zu 6 bar eingesetzt. Als Restgas wird hierbei beispielsweise Druckluft oder auch andere Prozessgase oder Abgase aus beliebigen industriellen Prozessen eingesetzt.Preferably, this is the turbine gene Total provided for a residual gas pressure of the residual gas of a maximum of 10 bar. In particular, residual gases having a residual gas pressure of, for example, only up to 6 bar are used during operation. For example, compressed air or other process gases or exhaust gases from any industrial processes are used as residual gas.

Zweckdienlicherweise wird als Gasturbinenrad ein Druckluftturbinenrad eines Druckluftmotors für handgehaltene Werkzeugmaschinen, wie beispielsweise Druckluftschrauber etc., verwendet. Derartige druckluftbetätigte Werkzeugmaschinen werden heute vielfältig eingesetzt. Es wird daher auf bekanntes Know how zurückgegriffen, so dass insgesamt kostengünstige, bestehende Kompo nenten verwendet werden können. Auch sind derartige Druckluftturbinenräder speziell auf die Drücke ausgelegt, die nunmehr bei dem Turbinengenerator zur Erzeugung von elektrischer Energie herangezogen werden.Conveniently, is used as Gasturbinenrad a Druckluftturbinenrad a compressed air motor for hand-held Machine tools, such as pneumatic screwdriver, etc., used. Such compressed air actuated Machine tools are widely used today. It will therefore recourse to know-how, so that overall cost-effective, existing components can be used. Also, such air turbine wheels are special to the pressures which is now in the turbine generator for generating electrical energy are used.

Zweckdienlicherweise ist das gemeinsame Gehäuse des Turbinengenerators zweiteilig aufgebaut und umfasst ein Grundgehäuse, welches von einem Turbinendeckel verschlossen ist. Im Grundgehäuse ist der Generator angeordnet und im Turbinendeckel läuft das Gasturbinenrad. Der Turbinendeckel bildet hierbei einen kreisscheibenartigen Strömungskanal aus, in dem das Gasturbinenrad im Betrieb rotiert. Sowohl das Grundgehäuse als auch der Turbinendeckel sind beispielsweise Spritzgussteile und entweder einstückig oder entlang einer Teilungsebene zweistückig ausgebildet.Conveniently, is the common housing of the turbine generator is constructed in two parts and comprises a basic housing, which is closed by a turbine cover. In the basic housing is arranged the generator and running in the turbine cover the gas turbine wheel. Of the Turbine cover here forms a circular disk-like flow channel in which the gas turbine wheel rotates during operation. Both the basic housing as also the turbine cover are for example injection molded parts and either one piece or formed in two pieces along a dividing plane.

Der Turbinendeckel weist einen Eintrittsstutzen sowie einen Austrittsstutzen für den Eintritt und den Austritt des Restgases auf, wobei beide Stutzen in den Strömungskanal münden. Die Stutzen sowie auch der Strömungskanal sind hierbei einstückige Teile des vorzugsweise gegossenen Turbinendeckels, d.h. die Innenkontur des Turbinendeckels bildet den Strömungskanal aus. Zweckdienlicherweise ist in dem zumindest einen Eintrittsstutzen eine austauschbare Düse angeordnet. Die Düse ist hierbei auf das jeweils zu verwendende Restgas abgestimmt, um eine möglichst effiziente Energieausbeute zu erreichen. Die Düse ist hierbei derart ausgebildet, dass die im Restgas enthaltene Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt wird. Die Düse ist beispielsweise nach Art einer Lavaldüse ausgebildet. Insgesamt bildet das Gasturbinenrad mit der Generatorwelle eine Entspannungsturbine, die die im Restgas enthaltene Energie (Druckenergie) durch Entspannung in Bewegungsenergie umsetzt. Durch die Austauschbarkeit der Düse kann der Turbinengenerator für unterschiedliche Einsatzzwecke (unterschiedliche Restgasarten, unterschiedliche Drücke, unterschiedliche Temperaturen) problemlos und einfach durch Austausch der Düsen eingestellt werden.Of the Turbine cover has an inlet connection and an outlet connection for the Inlet and outlet of the residual gas on, with both nozzles in the flow channel lead. The nozzles as well as the flow channel are here one-piece parts preferably cast turbine cover, i. the inner contour of the turbine cover forms the flow channel. Conveniently arranged in the at least one inlet nozzle a replaceable nozzle. The nozzle is tuned to the particular residual gas to be used in order to one possible to achieve efficient energy yield. The nozzle is designed in this case, that the pressure energy contained in the residual gas in kinetic energy is converted. The nozzle is formed, for example, in the manner of a Laval nozzle. Total forms the gas turbine wheel with the generator shaft an expansion turbine, the energy contained in the residual gas (pressure energy) by relaxation converts into kinetic energy. Due to the interchangeability of the nozzle can the turbine generator for different purposes (different types of residual gas, different Pressures, different Temperatures) easily and simply by replacing the nozzles set become.

Vorzugsweise sind um den Umfang des Turbinendeckels verteilt mehrere Eintrittsstutzen mit Düsen angeordnet, um eine effiziente Energieausbeute und einen hohen Wirkungsgrad zu ermöglichen.Preferably are distributed around the circumference of the turbine cover several inlet nozzle with nozzles arranged to provide efficient energy yield and high efficiency to enable.

Insgesamt wird durch die hier beschriebenen Maßnahmen ein kompakter, anschlussfertiger Turbinengenerator erhalten, der einen Wirkungsgrad von bis zu über 90% erreicht. Im Hinblick auf den kompakten Aufbau des Turbinengenerators weist dieser vorzugsweise lediglich ein Volumen von maximal bis 0,1 m³ und insbesondere von maximal bis etwa 0,05 m³ auf. Dies entspricht einem Quader mit einer Kantenlänge von etwa 0,5 bzw. von etwa 0,3 bis 0,4 m. Insbesondere ist der Turbinengenerator nicht größer als etwa ein üblicher Schuhkarton und weist beispielsweise ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse mit einer Länge von 20 bis 30 cm und mit einem Durchmesser von etwa 10 cm auf. Durch diese kompakte Ausgestaltung ist der Turbinengenerator insgesamt tragbar und daher problemlos dezentral an unterschiedlichsten Orten einsetzbar.Overall, a compact, ready to connect turbine generator is achieved by the measures described here, which achieves an efficiency of up to about 90%. With regard to the compact construction of the turbine generator, this preferably has a maximum volume of only 0.1 m ³ and in particular of a maximum of up to 0.05 m ³ . This corresponds to a cuboid with an edge length of about 0.5 or from about 0.3 to 0.4 m. In particular, the turbine generator is no larger than about a conventional shoe box and has, for example, a substantially cylindrical housing with a length of 20 to 30 cm and a diameter of about 10 cm. Due to this compact design of the turbine generator is portable and therefore easily used decentralized at different locations.

Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist eine Steuereinheit vorgesehen, die die Drehzahl des Generators und damit auch zugleich die des Gasturbinenrads steuert. Bevorzugt ist hierbei die Steuereinheit zur Regelung des Generators auf eine konstante Drehzahl ausgebildet. Dies wird insbesondere durch die Steuerung der vom Generator abgegriffenen Last erreicht, es erfolgt also eine Drehzahlregelung auf elektrischem Wege durch die Belastung des Generators. Zusätzliche Einbauten, beispielsweise ein Fliehkraftregler, zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl sind nicht vorgesehen.According to one expedient further development, a control unit is provided, the speed of the generator and thus at the same time the gas turbine wheel controls. Preferably, in this case, the control unit for controlling the Generator designed to a constant speed. This will be particular achieved by controlling the load tapped by the generator, So there is a speed control by electrical means the load of the generator. Additional fittings, for example a centrifugal governor, to control or regulate the speed not provided.

Die Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine industrielle Anlage gemäß Anspruch 18, bei der ein derartiger Turbinengenerator zur Rückgewinnung der verbleibenden Restenergie im Restgas eingesetzt wird.The Invention is further solved by an industrial plant according to claim 18, wherein a Such turbine generator for the recovery of the remaining Residual energy is used in the residual gas.

Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt in einer schematischen und vereinfachten Darstellung einen Turbinengenerator in einem Aufriss.One embodiment will be explained in more detail below with reference to the single figure. This shows in one schematic and simplified representation of a turbine generator in an outline.

Der Turbinengenerator 2 weist ein Gehäuse 4 auf, das sich aus einem zylindrischen Grundgehäuse 4A und einem Turbinendeckel 4B zusammensetzt. Das Grundgehäuse 4A weist an seiner einen Stirnseite einen Flansch 6 auf, an dem der Turbinendeckel 4B in hier nicht näher dargestellter Art und Weise beispielsweise über Schrauben befestigt ist. Im Grundgehäuse 4A ist ein Generator 8 angeordnet, der einen Stator 8A sowie einen Rotor 8B umfasst. Der Rotor 8B ist auf einer Generatorwelle 10 befestigt. Zur Lagerung der Generatorwelle 10 sind insgesamt nur zwei Lager 12 vorgesehen, die jeweils unmittelbar angrenzend an den Rotor 8B angeordnet sind. Im Anschluss an das auf der rechten Bildseite dargestellte Lager 12 ist auf einem Freiende der Generatorwelle 10 ein Gasturbinenrad 14 befestigt. Und zwar ist hier eine starre und drehfeste Verbindung mit der insgesamt nach Art einer Stange ausgebildeten, einstückigen Generatorwelle 10 vorgesehen. Das Gasturbinenrad 14 weist Schaufeln 16 auf, über die ein Antrieb des Gasturbinenrads 14 und damit der Generatorwelle 10 ermöglicht ist.The turbine generator 2 has a housing 4 on, which consists of a cylindrical basic housing 4A and a turbine cover 4B composed. The basic housing 4A has at its one end face a flange 6 on, on which the turbine cover 4B is attached in a manner not shown here, for example via screws. In the basic housing 4A is a generator 8th arranged, which has a stator 8A and a rotor 8B includes. The rotor 8B is on a generator shaft 10 attached. For storage of the generator shaft 10 There are only two camps altogether 12 provided, each immediately adjacent to the rotor 8B disposed are. Following the bearing shown on the right side of the picture 12 is on a free end of the generator shaft 10 a gas turbine wheel 14 attached. And here is a rigid and rotationally fixed connection with the total of the manner of a rod formed, one-piece generator shaft 10 intended. The gas turbine wheel 14 has shovels 16 on, via which a drive of the gas turbine wheel 14 and thus the generator shaft 10 is possible.

Der Turbinendeckel 4B weist um den Umfang verteilt mehrere Eintrittsstutzen 18 sowie Austrittsstutzen 20 auf. In den Figuren ist nur ein Entrittsstutzen 18 zu entnehmen. In den Eintrittsstutzen 18 sind hier nicht näher dargestellte austauschbare Düsen angeordnet. Beim Einsatz sind die Eintrittsstutzen 18 an eine Restgasleitung angeschlossen, über die im Betrieb dem Turbinengenerator 2 ein Restgas, beispielsweise Druckluft mit einem Restgasdruck von maximal 10 bar, zugeführt wird.The turbine cover 4B has distributed around the circumference several inlet nozzle 18 as well as outlet nozzle 20 on. In the figures, only an Entrittsstutzen 18 refer to. In the inlet 18 are arranged here not shown interchangeable nozzles. When used are the inlet nozzle 18 connected to a residual gas line, via the turbine generator during operation 2 a residual gas, for example compressed air with a residual gas pressure of a maximum of 10 bar, is supplied.

Die Eintrittsstutzen 18 sind an einer Mantelfläche des ebenfalls zylindrischen Turbinendeckels 4B angeordnet und zwar auf der dem Generator 8 abgewandten Seite des Gasturbinenrads 14. Die Eintrittsstutzen 18 sind hierbei etwas schräg gestellt, um eine optimale Anströmung der Schaufeln 16 zu gewährleisten. Die Austrittsstutzen 20 sind auf der dem Generator 8 zugewandten Seite des Gasturbinenrads 14 an der Mantelfläche des Turbinendeckels 4B als Durchtrittsöffnung ausgebildet.The inlet nozzle 18 are on a lateral surface of the likewise cylindrical turbine cover 4B arranged on the generator 8th opposite side of the gas turbine wheel 14 , The inlet nozzle 18 Here are a bit inclined to an optimal flow of the blades 16 to ensure. The outlet nozzle 20 are on the generator 8th facing side of the gas turbine wheel 14 on the lateral surface of the turbine cover 4B designed as a passage opening.

Die beiden Gehäuseteile 4A, 4B sind insbesondere Guss- oder Spritzgussteile und weisen Innenkonturen auf, die derart ausgebildet sind, dass keine weiteren Halterungen etc. mehr erforderlich sind. So sind beispielsweise Halteringe 22 ausgeformt, in die die Lager 12 eingesetzt sind. Zugleich bilden die Halteringe 22 Abstützflächen für den Stator 8A. Die Innenkontur des Turbinendeckels 4B ist derart gewählt, dass sich ein kreisscheibenartiger Strömungskanal 24 bildet, in dem der Schaufelbereich des Gasturbinenrads 14 im Betrieb rotiert.The two housing parts 4A . 4B are in particular cast or injection-molded parts and have inner contours, which are designed such that no further holders, etc. are required more. For example, retaining rings 22 formed, in which the bearings 12 are used. At the same time form the retaining rings 22 Support surfaces for the stator 8A , The inner contour of the turbine cover 4B is chosen such that a circular disk-like flow channel 24 forms, in which the blade portion of the gas turbine wheel 14 rotates during operation.

Der Generator 8 ist insgesamt zur Erzeugung einer elektrischen Leistung von maximal bis zu 20 kW vorgesehen und vorzugsweise lediglich im Bereich zwischen etwa 5 und 10 kW.The generator 8th is provided in total for generating an electrical power of up to 20 kW and preferably only in the range between about 5 and 10 kW.

Der Turbinengenerator 2 weist insgesamt einen sehr kompakten Aufbau auf und hat etwa eine Länge von 20 bis 30 cm und einen Durchmesser (im Bereich des Turbinendeckels 4B gemessen) von etwa 10 cm. Das Gasturbinenrad 14 selbst hat typischerweise einen Durchmesser von maximal etwa bis zu 60 mm. Der gesamte Turbinengenerator 2 ist für Drehzahlen zwischen 30.000 und 85.000 U/min. ausgelegt. Abgesehen von den Lagern 12 sind alle weiteren Teile berührungslos angeordnet, so dass keine Reibung auftritt.The turbine generator 2 has a very compact overall structure and has a length of 20 to 30 cm and a diameter (in the area of the turbine cover 4B measured) of about 10 cm. The gas turbine wheel 14 itself typically has a maximum diameter of up to about 60 mm. The entire turbine generator 2 is for speeds between 30,000 and 85,000 rpm. designed. Apart from the camps 12 All other parts are arranged without contact, so that no friction occurs.

Zur Steuerung des Turbinengenerators 2 ist eine hier nicht näher dargestellte Steuereinheit vorgesehen. Diese regelt die Drehzahl insbesondere auf einen konstanten Wert ein, indem sie die Drehzahl des Generators 8 durch eine entsprechende elektrische Belastung des Generators 8 steuert. Insofern ist auch die Regelung und Steuerung sehr einfach gehalten und es sind keine weiteren mechanischen oder elektromechanischen Komponenten erforderlich. Vielmehr reicht es aus, dass der Generator 8 in üblicher und hier nicht näher dargestellter Weise elektrisch angeschlossen ist. Der Generator 8 ist hierbei vorzugsweise mit einem in der Steuerungseinheit integrierten Leistungsteil verbunden, in dem die durch die hohe Drehzahl erzeugte hochfrequente Wechselspannung beispielsweise in Gleichstrom umgewandelt und anschließend wieder in eine gewünschte Netzspannung transformiert wird. Die Steuereinheit mit der vorzugsweise darin integ rierten Leistungseinheit ist vorzugsweise unmittelbar am Gehäuse 4 angeordnet, so dass insgesamt eine anschlussfertige Einheit vorliegt. Zur Inbetriebnahme ist lediglich erforderlich, dass am Eintrittsstutzen 18 eine Restgasleitung angeschlossen und am Austrittsstutzen 20 gegebenenfalls eine Auslassleitung angeschlossen wird. An der Steuereinheit wird dann unmittelbar der erzeugte Strom insbesondere in der gewünschten Spannung und Frequenz zur Verfügung gestellt.For controlling the turbine generator 2 a control unit not shown here is provided. This regulates the speed in particular to a constant value, by the speed of the generator 8th by a corresponding electrical load of the generator 8th controls. In this respect, the control and control is kept very simple and there are no further mechanical or electromechanical components required. Rather, it is enough that the generator 8th is electrically connected in the usual and not shown here manner. The generator 8th In this case, it is preferably connected to a power unit integrated in the control unit, in which the high-frequency alternating voltage generated by the high rotational speed is converted into direct current, for example, and then transformed back into a desired mains voltage. The control unit with the preferably integrated power unit is preferably located directly on the housing 4 arranged so that there is a total ready for connection unit. For commissioning is only necessary that at the inlet nozzle 18 a residual gas line connected and at the outlet nozzle 20 if necessary, an outlet line is connected. The generated current is then directly available at the control unit, in particular at the desired voltage and frequency.

Beim Betrieb des Turbinengenerators tritt das Restgas durch die in den Eintrittsstutzen 18 angeordneten Düsen in den Strömungskanal 24 ein. Beim Durchtritt durch die Düse wird hierbei das Restgas beschleunigt, so dass eine möglichst weitgehende Umwandlung der Druckenergie in kinetische Energie erfolgt. Das eingesetzte Restgas weist hierbei einen Druck von üblicherweise < 10 bar auf. Das Gas wird bis auf einen Enddruck im Bereich von 1 bis 2 bar entspannt. Sofern das Restgas zusätzlich auch noch eine thermische Restenergie aufweist, ist in einer alternativen Ausgestaltung vorgesehen, dass dem Turbinengenerator 2 eine Einheit vorgeschalten ist, die zunächst die thermische Energie des Restgases in Druckenergie umwandelt, bevor das Restgas den Eintrittsstutzen 18 zugeführt wird.During operation of the turbine generator, the residual gas passes through the in the inlet nozzle 18 arranged nozzles in the flow channel 24 one. When passing through the nozzle in this case the residual gas is accelerated, so that as far as possible conversion of the pressure energy into kinetic energy takes place. The used residual gas in this case has a pressure of usually <10 bar. The gas is expanded to a final pressure in the range of 1 to 2 bar. If the residual gas additionally also has a residual thermal energy, it is provided in an alternative embodiment that the turbine generator 2 upstream of a unit which first converts the thermal energy of the residual gas into pressure energy, before the residual gas enters the inlet port 18 is supplied.

Insgesamt zeichnet sich der Turbinengenerator 2 durch einen sehr einfachen und kompakten und damit kostengünstigen Aufbau aus. Als Gasturbinenrad 14 wird hierbei insbesondere ein Turbinenrad eingesetzt, wie es üblicherweise bei handbetätigten, druckluftangetriebenen Motoren eingesetzt wird, beispielsweise bei Druckluftschleifmaschinen oder sonstigen handgehaltenen Klein-Werkzeugmaschinen. Weiterhin ist der Turbinengenerator 2 durch Austausch der Düsen auf unterschiedliche Gasarten, unterschiedliche Drücke oder auch unterschiedliche Temperaturen der Restgase problemlos einstell- und anpassbar. Auch kann der Turbinengenerator 2 auf unterschiedliche Restgas-Massenströme eingestellt werden, indem die Anzahl der Eintrittsstutzen 8 und der entsprechenden Düsen variiert wird. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass unterschiedliche Turbinendeckel 4B bevorratet werden, die je nach Einsatzzweck dann entsprechend auf das Grundgehäuse 4A aufgeschraubt werden. Die unterschiedlichen Turbinende ckel 4B unterscheiden sich hierbei in der Anzahl ihrer Eintrittsstutzen 18. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Turbinengenerator insgesamt wartungsfrei ist, da keine sich einander berührende Teile eingesetzt werden. Lediglich die beiden Lager 12 weisen gegeneinander abrollende Teile auf.Overall, the turbine generator stands out 2 by a very simple and compact and therefore inexpensive construction. As gas turbine wheel 14 In this case, in particular, a turbine wheel is used, as is commonly used in manually operated, air driven engines, for example in compressed air grinders or other hand-held small machine tools. Furthermore, the turbine generator 2 by changing the nozzles to different types of gas, different pressures or different temperatures of the residual gases easily adjustable and adjustable. Also, the turbine generator 2 on different residual gas mass flows are adjusted by the number of inlet ports 8th and the corresponding nozzles is varied. This happens, for example, by the fact that different turbine cover 4B be stored, depending on the purpose then according to the basic housing 4A be screwed on. The different turbine ends ckel 4B differ in the number of their inlet ports 18 , A further advantage is the fact that the turbine generator as a whole is maintenance-free, since no mutually contacting parts are used. Only the two camps 12 have against each other rolling parts.

Um das Gasturbinenrand 14 vor Beschädigungen zu schützen ist bei Bedarf vorgesehen, dass vor dem Eintrittsstutzen 18 noch ein Filter für das Restgas vorgeschaltet wird. Beispielsweise dient dieser Filter zur Abscheidung von Staubpartikeln oder Flüssigkeitströpfchen, die im Restgas mitgeführt werden.To the gas turbine edge 14 To protect against damage is provided if necessary, that in front of the inlet nozzle 18 another filter for the residual gas is connected upstream. For example, this filter is used for the separation of dust particles or liquid droplets, which are carried in the residual gas.

Der Turbinengenerator 2 ist insgesamt für den Einsatz in einer industriellen Anlage vorgesehen, bei der das Restgas beispielsweise als Abfallprodukt, also insbesondere als verbrauchtes Betriebsmittel, anfällt. Bisher wird ein derartiges Restgas üblicherweise ungenutzt abgegeben. Durch den hier beschriebenen Turbinengenerator 2 besteht nunmehr die Möglichkeit, dezentral an den Orten, an denen das Restgas anfällt, unmittelbar und mit geringem Aufwand die im Restgas enthaltene Restenergie zu großen Teilen in elektrische Energie umzuwandeln. Gerade durch den sehr kompakten, einfachen und damit kostengünstigen Aufbau des Turbinengenerators ist hierbei auch eine hohe betriebswirtschaftliche Effizienz ermöglicht. Da es sich weiterhin um eine insgesamt anschlussfertige, vollständig funktionsfähige Einheit handelt, sind auch keine weitergehenden Installationen erforderlich.The turbine generator 2 is intended in total for use in an industrial plant, in which the residual gas, for example, as a waste product, ie in particular as consumed resources, obtained. So far, such a residual gas is usually released unused. Through the turbine generator described here 2 There is now the possibility of decentralized at the places where the residual gas accumulates, to convert the residual energy contained in the residual gas in large part into electrical energy directly and with little effort. Precisely because of the very compact, simple and therefore cost-effective construction of the turbine generator, a high degree of economic efficiency is also possible. As it continues to be a fully connected, fully functional unit, no further installation is required.

22: Turbinengeneratorturbine generator
44: Gehäusecasing
4A4A: GrundgehäuseHeaders
4B4B: Turbinendeckelturbine cover
66: Flanschflange
88th: Generatorgenerator
8A8A: Statorstator
8B8B: Rotorrotor
1010: Generatorwellegenerator shaft
1212: Lagercamp
1414: Gasturbinenradgas turbine wheel
1616: Schaufelshovel
1818: Eintrittsstutzeninlet connection
2020: Austrittsstutzenoutlet connection
2222: Halterungbracket
2424: Strömungskanalflow channel

Claims

Turbine generator ( 2 ) for generating electrical energy from a residual gas produced in an industrial plant, in which in a common housing ( 4 ) for a power <20 kW, in particular for a power in the range of 5 to 20 kW, designed generator ( 8th ) and a gas turbine wheel ( 14 ), wherein the gas turbine wheel ( 14 ) together with the generator ( 8th ) on a generator shaft ( 10 ) is arranged.

Turbine generator ( 2 ) according to claim 1, wherein the gas turbine wheel ( 14 ) at the end of the generator shaft ( 10 ) Is attached without these end face is stored.

Turbine generator ( 2 ) according to claim 1 or 2, wherein the generator shaft ( 10 ) in only two warehouses ( 12 ) at the end of the generator ( 8th ) is stored.

Turbine generator ( 2 ) according to one of the preceding claims, in which for storing the generator shaft ( 10 ) provided bearings ( 12 ) in the housing ( 4 ) are arranged.

Turbine generator ( 2 ) according to one of the preceding claims, which is designed for an operating speed of 30,000 to 85,000 rpm.

Turbine generator ( 2 ) according to one of the preceding claims, in which the gas turbine wheel ( 14 ) has a diameter of less than 100 mm, in particular in the range of 30 to 70 mm.

Turbine generator ( 2 ) according to one of the preceding claims, which is intended for a residual gas pressure of the residual gas of not more than 10 ⁶ Pa.

Turbine generator ( 2 ) according to one of the preceding claims, in which as gas turbine wheel ( 14 ) a Druckluftturbinenrad a pneumatic motor for hand-held machine tools is used.

Turbine generator ( 2 ) according to one of the preceding claims, in which the common housing ( 4 ) a partial housing ( 4A ) in which the generator ( 8th ) is arranged and the end face of a turbine cover ( 4B ) is closed, in which the gas turbine wheel ( 14 ) is arranged.

Turbine generator ( 2 ) according to claim 9, wherein the turbine cover ( 4B ) a circular disk-like flow channel ( 24 ), in which the gas turbine wheel ( 14 ) rotates during operation.

Turbine generator ( 2 ) according to claim 9 or 10, in which one piece on the turbine cover ( 4B ) at least one inlet nozzle ( 18 ) as well as an exit support ( 20 ) are arranged.

Turbine generator ( 2 ) according to claim 1, wherein in the at least one inlet nozzle ( 18 ) A replaceable nozzle is arranged.

Turbine generator ( 2 ) according to one of claims 9 to 12, in which around the circumference of the turbine cover ( 4B ) distributes several inlet stubs ( 18 ) are arranged.

Turbine generator ( 2 ) according to one of the preceding claims, which occupies a volume of not more than 0.1 m ³ and in particular of not more than 0.05 m ³ .

Turbine generator ( 2 ) according to any one of the preceding claims, which is portable.

Turbine generator ( 2 ) according to one of the preceding claims, in which a control unit is provided which determines the rotational speed of the generator ( 8th ) and, at the same time, also those of the gas turbine wheel ( 14 ) controls.

Turbine generator ( 2 ) according to one of the preceding claims, in which the control unit for regulating the generator ( 8th ) is designed to a constant speed.

Industrial plant in which a residual gas is obtained as a spent process agent, which via a residual gas line to a turbine generator ( 2 ) can be supplied according to one of the preceding claims for generating electrical energy.